Уникальные свойства графита
Графит привлекает глобальный интерес благодаря своим уникальным анизотропным свойствам, включая отличную электрическую и теплопроводность. Широко используемый в качестве анодного материала для батарей, а также в таких приложениях, как электромагнитное экранирование, катализ и ядерные технологии, графит остаётся критически важным материалом как в промышленности, так и в научных исследованиях.
Проблема производства высококачественного графита
На протяжении десятилетий исследователи стремились создать высококачественный искусственный графит с крупными зёрнами и гладкой слоистой структурой. Традиционные методы обычно включают высокотемпературную обработку полимерных плёнок под механическим напряжением. Однако получаемые материалы часто страдают от ограниченного размера зёрен, более низкой плотности и неровностей поверхности, а их объёмные механические свойства редко оцениваются.
Другая известная синтетическая форма — высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) — обладает улучшенной кристаллической структурой, но всё ещё имеет относительно небольшие размеры доменов.
Более того, такие материалы склонны к образованию складок и искажений во время охлаждения, а их свойства обычно изучаются на микроуровне — с использованием отшелушенных чешуек, а не целых графитовых плёнок. Таким образом, учёные пытались вырастить большие плоские кристаллы графита без складок — что было препятствием для раскрытия всего потенциала графита в высокотехнологичных приложениях.
Прорыв в производстве графитовых плёнок
Под руководством директора Родни С. Руоффа в Институте фундаментальных наук (IBS) исследователи разработали новаторский метод производства графитовых плёнок с зеркальным отражением и зёрнами размером в миллиметр — примерно в 10 000 раз больше, чем у обычного синтетического графита. Работа была опубликована в журнале Nature Communications.
В основе этого достижения лежит стратегия использования «пористой подложки»: путём селективного испарения никеля из расплавленного сплава Ni-Mo после роста графита команда создала губкообразную подложку, которая резко ослабляет взаимодействие между графитом и металлической поверхностью. Это эффективно устраняет межфазное напряжение во время охлаждения, предотвращая образование складок или изгибов в плёнке.
«Пористая подложка действует как подушка, — объяснил соавтор, старший научный сотрудник Сон Вон Кён, — поглощая напряжение вместо того, чтобы мять графит».
«Чтобы найти оптимальную комбинацию для синтеза зеркального графита с гладкой поверхностью и зёрнами миллиметрового размера, мы экспериментировали с различными металлическими комбинациями», — сказал первый автор, старший исследователь Лиюань Чжан.
Среди них были металлы с высокой растворимостью углерода, такие как железо, никель и кобальт, а также тугоплавкие металлы, такие как палладий, молибден, ванадий и вольфрам. Было обнаружено, что комбинация никеля и молибдена (Ni-Mo) обеспечивает наилучшие условия.
Процесс также позволяет сверхбыстрое выращивание, достигая скорости 6,2 слоя в секунду — более чем в 20 раз быстрее, чем традиционные методы, что делает его пригодным для крупномасштабного и масштабируемого производства.
«Кроме того, предварительно нанося узор на металлические фольги, используемые для формирования расплава сплава, исследователи могли придавать графитовым плёнкам сложные формы, такие как образцы в виде собачьей кости для механических испытаний», — объяснил соавтор Юнцян Мэн. «Такой уровень контроля открывает двери для изготовления устройств по индивидуальному заказу и практического применения».
Первый соавтор, доктор Мэйхуэй Ван, отмечает: «Полученные графитовые плёнки установили новые эталоны производительности. Механические испытания показали модуль Юнга 969 ГПа и предел прочности на растяжение 1,29 ГПа, приближаясь к теоретическим пределам монокристаллического графита и превышая все ранее зарегистрированные макромасштабные синтетические графиты».
«Плёнки также продемонстрировали исключительную планарную теплопроводность 2 034 Вт/м·К — превосходя медь — и электрическую проводимость до 22 500 См/см. Ожидается, что это исследование окажет значительное влияние на различные отрасли промышленности, позволяя производить крупномасштабные и индивидуальные графитовые плёнки высокого качества», — говорится в статье.
Это исследование переопределяет пределы синтетического графита, достигая размеров зёрен в миллиметровом диапазоне — значительно больше, чем у высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) и сравнимо с редкими кристаллами природного графита. Однако в отличие от природных материалов, полученные здесь плёнки обладают точно контролируемой формой, толщиной и чистотой, что знаменует собой значительный скачок вперёд в дизайне материалов и производительности.
Потенциальные применения разнообразны. Бездефектные графитовые плёнки высокой чистоты могут преобразовать управление температурным режимом в электронике высокой мощности, такой как чипы искусственного интеллекта, служить сверхпрочными и проводящими компонентами в МЭМС и датчиках, а также обеспечивать покрытия без трения или усовершенствованные аноды для батарей.
Впереди команда работает над масштабированием производства до плёнок размером в метр. «Мы считаем, что наши фундаментальные исследования высококачественного графита послужат основой для углублённых исследований других исследовательских групп по всему миру, и мы рассматриваем его как краеугольный камень для прикладных исследований с использованием графита», — говорит директор Руофф.